Effect of platen power configuration on deep reactive ion etching process

Thumbnail Image

Files

master_Nortamo_Patrick_2025.pdf (14.81 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-03-13

Department

Major/Subject

Photonics and Nanotechnology

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Electronics and Nanotechnology

Language

en

Pages

53

Series

Abstract

Deep reactive ion etching (DRIE) is an highly anisotropic etching process used to create structures with high aspect ratios (HAR). At Murata Electronics Oy (MFI), the DRIE process is used in the manufacturing of microelectromechanical system (MEMS) accelerometers and gyroscopes. The DRIE process is a crucial step and is dependent on many parameters, one of which is the platen power used for biasing the substrate. MFI has multiple DRIE modules in use with varying platen power configurations. The differences are in the form of cable length and number of cables and connectors. This causes unwanted differences between otherwise similar modules and leads to harder to control processes. The effect of platen power configuration is examined in this thesis in order to allow for its standardisation and improve the DRIE process at MFI. Effects of platen power, cable length and number interfaces are assessed by the use of oxide and HAR test wafers processed in two similar DRIE modules. Critical parameters are measured before and after processing using optical measurement tools and SEM analysis. Data collected by the DRIE modules is also investigated. Results of the thesis show that changing platen power affects the etch process as expected with etch rate and HAR structure profile being the most notable factors affected. Increasing power increases etch rates with an amount depending on the material and structure. Higher power causes structures to become narrower towards the bottom and also breaks the sidewall passivation polymer more easily leading to broken tips on scallops. The use of a large amount of interfaces distorts the signal but this isn’t reflected on inspected wafers. This thesis was done for Murata Electronics Oy.

Reaktiivinen ionisyväetsaus (eng. DRIE) on korkean sivusuhteen (eng. HAR) rakenteiden valmistuksessa käytetty anisotrooppinen etsausprosessi. Murata Electronics Oy:llä (MFI) DRIE-prosessia käytettän mikrosysteemi (eng MEMS) kiihtyvyys- ja kulmakiihtyvyysanturien tuotannossa. DRIE-prosessi on kriittinen vaihe tuotannossa ja riippuvainen monesta muuttujasta, joista yksi on kiekkoalustan teho. MFI:llä on useampia DRIE-moduuleja käytössä, joiden kiekkoalustan tehokonfiguraatio vaihtelee. Eroavaisuudet ovat kaapelien pituudessa sekä kaapeleiden ja rajapintojen määrässä. Tämä johtaa ei-toivottuihin eroavaisuuksiin muuten samanlaisten kammioiden välillä. Tässä diplomityössä tarkastellaan kiekkoalustan tehokonfiguraation vaikutusta sen standardoimiseksi ja DRIE-prosessin parantamiseksi MFI:llä. Kiekkoalustan tehon, kaapelin pituuden ja rajapintojen määrän vaikutusta arvioidaan käyttämällä oksidi- ja HAR-testikiekoja, jotka on käsitelty kahdessa samanlaisessa DRIE-moduulissa. Kriittiset parametrit mitataan ennen prosessointia ja sen jälkeen käyttämällä optisia mittaustyökaluja ja pyyhkäisyelektronimikroskopiaa. Myös DRIE-moduulien keräämiä tietoja tutkitaan. Diplomityön tulokset osoittavat, että kiekkoalustan tehon muutos vaikuttaa etsausprosessiin odotetusti. Merkittävimmät vaikutukset näkyvät etsausnopeudessa ja HAR-rakenneprofiilissa. Tehon lisääminen lisää etsausta vaihtelevin määrin riippuen materiaalista ja rakenteesta. Korkeampi teho saa rakenteet kapenemaan pohjaa kohti ja rikkoo myös sivuseinän passivointipolymeerin helpommin. Monen rajapinnan käyttö vääristää signaalia, mutta tämä ei näkynyt kiekoilla. Tämä diplomityö tehtiin Murata Electronics Oy:lle.

Djup reaktiv jonetsning (eng. DRIE) är en anisotropisk etsningsprocess, som används för att skapa strukturer med höga sidoförhållanden (eng. HAR). På Murata Electronics Oy (MFI) används DRIE-processen i tillverkning av mikroeletromekaniska system (MEMS) accelerometrar och gyroskop. DRIE-processen är ett kritiskt steg och är beroende av många parametrar, varav en är skivunderlagets effekt. MFI har flera DRIE-moduler i användning med olika effektkonfigurationer för skivunderlaget. Skillnaderna är i form av kabellängd, antal kablar och gränssnitt. Detta orsakar oönskade skillnader mellan annars likadana moduler och leder till processer, som är svårare att kontrollera. Påverkan av skivunderlagets effektkonfiguration undersöks i denna avhandling för att möjliggöra dess standardisering och förbättra DRIE-processen på MFI. Påverkan av skivunderlagets effekt, kabellängd och antal gränssnitt bedöms genom användning av oxid- och HAR-testskivor bearbetade i två liknande DRIE-moduler. Kritiska parametrar mäts före och efter processeringen med hjälp av optiska mätverktyg och svepelektronmikroskop. Data som samlas in av DRIE-modulerna undersöks också. Resultaten av avhandlingen visar att ändringar i skivunderlagets effekt påverkar etsningsprocessen som förväntat. De mest betydande skillnaderna kan ses i etsningshastigheten och HAR-strukturprofilen. Högre effekt ökar etsningshastigheten med varierande grad beroende på material och struktur. Högre effekt gör strukturerna smalare mot basen och söndrar även sidoväggarnas passiveringspolymer lättare. Användningen av många gränssnitt förvränger signalen, men detta var inte synligt på skivorna. Detta diplomarbete gjordes för Murata Electronics Oy.

Description

Supervisor

Soldano, Caterina

Thesis advisor

Hakanen, Saara

Keywords

deep reactive ion etching, plasma etching, microfabrication, micro electro mechanical system, platen power, silicon etching

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505193811

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC